影響蠟油加氫加熱爐熱效率的因素分析及節能措施

王海峰，李 明，韓永青，周彩榮

(1.鄭州大學 化工與能源學院，河南鄭州450001;2.中石化洛陽分公司，河南洛陽471000)

0 引言

蠟油加氫加熱爐的熱效率是衡量加熱爐工作能力優劣的一個重要指標，它關系著石油化工裝置能耗的高低.目前加熱爐熱效率在90%左右，進一步提高管式加熱爐熱效率，節約能耗和長期較高水平運行是當前亟待解決的問題之一［1-4］.

洛陽石化蠟油加氫處理裝置設計處理量220×104t/a，反應加熱爐設計熱負荷為125 000 kW，爐型為輻射對流型雙室單排雙面輻射臥管立式加熱爐.介質分四路從對流段上部進爐，經對流段加熱后進入輻射室，從輻射室下部出爐.輻射段爐管表面迎火面設有管壁熱電偶，以檢測爐管壁溫的變化.對流室采用高頻焊翅片管以增強傳熱效果.加熱爐設計負荷下的總體計算熱效率為90.5%，保證熱效率89%.

筆者以洛陽石化加氫處理裝置加熱爐現狀數據為基礎，對影響加熱爐熱效率的因素進行分析，并提出相應的節能措施，給車間節能降耗生產提供參考.

1 熱效率的計算原理

一般采用反平衡法計算加熱爐的熱效率［5］，計算公式如下:

式中:η為熱效率;q1，q2，q3分別為排煙熱損失，不完全燃燒熱損失，表面散熱損失;α為過剩空氣系數，對濕煙氣(氧化鋯在線分析)其值用公式(4)計算;tg為排煙溫度，℃;Δta為溫差，當燃燒空氣利用爐子自身煙氣預熱空氣時，Δta=0;wO2為排煙中氧含量百分數，如為5%，則式(4)代入數字5;wco為排煙中一氧化碳含量，mg/L.

通常情況下，排煙熱損失占加熱爐總熱損失的60% ～65%，加熱爐表面散熱損失q3約占3%.

2 影響加熱爐熱效率的因素分析

圖1是蠟油加氫加熱爐熱效率現狀圖，通過對2011年12月份至2012年5月份車間加熱爐(F5101)的熱效率進行統計，并與分公司平均熱效率進行對比，結果表明，蠟油加氫加熱爐的熱效率在92.5%左右，其它裝置加熱爐的熱效率在91.3%左右，蠟油加氫反應加熱爐的熱效率處于較好的水平，但其熱效率呈現總體下降水平.影響加熱爐熱效率的因素很多，而過剩空氣系數，排煙溫度，燃料燃燒狀況，爐體保溫狀況等是影響熱效率的主要因素，下面就這幾個方面進行分析討論.

圖1 加熱爐熱效率現狀圖Fig.1 The status chart on the thermal efficiency of furnace

2.1 過剩空氣系數對加熱爐熱效率的影響

實際進入爐膛的空氣量與理論空氣量之比稱為過剩空氣系數.過剩空氣系數表示了入爐的實際空氣量，其值愈大，說明入爐的實際空氣量就愈大，可使燃料燃燒完全.但過剩空氣系數過大的話，會使得煙氣帶走的熱量增多，降低了加熱爐的熱效率;過剩空氣系數若過小，供氧不足導致燃料燃燒不完全，產生一氧化碳，反而會引起燃料耗量增加，所以控制適量的過剩空氣系數，對加熱爐的熱效率至關重要［6］.

加熱爐熱效率與過剩空氣系數的關系見圖2.由圖2可以看出，隨著加熱爐過剩空氣系數的增大，加熱爐的熱效率呈降低趨勢.據圖2數據進行估算，氧含量每升高1%，過剩空氣系數增加約6.3% ，而熱效率降低約0.4%.因此，為了提高加熱爐的熱效率，達到節能降耗的目標，就需要控制氧含量和過剩空氣系數.在操作中，一般控制加熱爐的過剩空氣系數在1.1～1.25之間，氧含量在2.0～4.0之間.

2.2 CO含量對加熱爐熱效率的影響

在加熱爐中，當存在有化學不完全燃燒反應時，煙氣中就會產生可燃氣體，這些可燃氣體的主要成分是CO和H2，還可能有少量的CH4.生產過程中，車間常用CO含量來評定不完全燃燒的狀態.圖3為加熱爐熱效率與CO含量的關系.由圖3可以看出，隨著加熱爐中CO含量升高，加熱爐的熱效率呈現降低趨勢.因此，降低加熱爐中CO的含量，可提高加熱爐的熱效率.據圖3數據進行估算，CO含量每升高100 mg/L，其熱效率降低約0.05%.因此，在生產操作中，加熱爐的CO含量需要控制在100 mg/L以下，以保證燃料充分燃燒.

2.3 排煙溫度對加熱爐熱效率的影響

在管式爐的熱損失中排煙損失占有極大的比例.當爐子的熱效率較高(例如為90%)時，排煙損失占總損失的60% ～65%;當爐子的熱效率較低(例如70%)時，排煙損失占總損失的比例高達90%以上.圖4是加熱爐熱效率與排煙溫度的關系.

由圖4可以看出，隨著加熱爐排煙溫度升高，加熱爐的熱效率呈降低趨勢.據圖4進行估算，排煙溫度每升高5℃，熱效率降低約0.25%.因此，降低加熱爐排煙溫度，可提高加熱爐的熱效率.但若排煙溫度過低，在空氣預熱器等余熱回收設備的換熱管面上就會產生強烈的低溫露點腐蝕，短時間運轉后，換熱管束就會被嚴重腐蝕穿孔，使加熱爐不能正常運行.綜合以上考慮，在生產操作過程中加熱爐的排煙溫度一般控制在125～135℃為宜.

圖4 加熱爐排煙溫度對熱爐熱效率的影響Fig.4 The influence of flue gas temperature on the thermal efficiency of furnace

2.4 其它因素對加熱爐熱效率的影響

2.4.1 爐管結焦

結焦是爐管內的油品溫度超過一定界限后發生熱裂解，變成游離炭，堆積到爐管上的現象.爐管內壁結上一層焦炭以后，造成加熱爐輻射室和對流室的熱阻增加，導熱系數減小，使得管壁溫度升高.其后，氣相和液相油品繼續滲透到焦層的孔隙中去，繼續結焦，逐漸形成越來越厚的堅實焦層，使管壁溫度最終升高到允許值以上.爐管結焦不僅降低了加熱爐效率，而且損害爐管使用壽命［7］.

2.4.2 表面散熱損失

正常生產過程中，由于加熱爐溫度遠高于環境溫度，有一部分熱量以輻射傳熱方式散發出去，造成熱效率降低3%左右.如果保溫棉損壞，爐管外露，或者設備損壞密封不嚴，這部分損失將更大［8］.

3 提高熱效率的措施

針對以上分析，可從以下幾個方面提高加熱爐的熱效率.

(1)在保持完全燃燒的情況下，降低過剩空氣系數，將三門一板調節恰當.

(2)合理控制一氧化碳含量，盡可能使燃料氣完全燃燒.燃料不完全燃燒，除了降低熱效率外，還會造成大氣污染，所以應該盡量減少不完全燃燒，減少一氧化碳的排放量.

(3)從熱效率和露點腐蝕兩方面綜合考慮，排煙溫度不應太高，空氣預熱器采用耐腐蝕材料，燃料氣應控制硫含量.

(4)加強設備管理，定時巡檢，勿使爐壁耐火層有裂縫，塌陷等.盡量減少彎頭箱及人孔，及時更換、修復損壞的設備和附件，裝置的外露部分要加強保溫，減少散熱損失.

(5)防止爐管結焦.利用裝置檢修對加熱爐進行爐管材料升級，對流段的爐管進行清洗，輻射室大檢修時燒焦和洗鹽垢等.裝置檢修改造后加熱爐效率有明顯提高.對流室加強吹灰，自動吹灰，提高熱效率.

(6)加強精細管理，例如現場及時調整風門，定期清理火嘴，定期對燃料氣管線氣密等.

(7)在加熱爐現有基礎上進行改造，如前階段鼓風機，引風機下裝變頻器，對于加熱爐操作，熱效率提高都有很大改觀［9］.

4 結論

(1)根據生產中獲得實際數據，對影響石化蠟油加氫加熱爐的熱效率的因素進行了分析，在正常生產過程中，加熱爐熱效率主要受過剩空氣系數，排煙溫度，一氧化碳等因素影響.據估算，氧含量每升高1%，過剩空氣系數增加約6.3%，熱效率降低約0.4%;一氧化碳含量每升高100 g/m3，熱效率降低約0.05%;排煙溫度每升高5℃，熱效率降低約0.25%.

(2)為了提高加熱爐效率和達到節能減耗的目的，實際生產操作中，控制氧含量在2% ～4%，在此基礎上盡可能降低一氧化碳含量，排煙溫度控制在125～135℃為宜.

(3)現場巡檢做到位，保證爐墻耐火材料完好和爐體的嚴密性，盡量降低散熱損失.

［1］趙錕，任耀杰.影響裂解爐熱效率的原因分析與對策［J］.乙烯工業，2010，22(2):46-51.

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［3］何文峰，沈永淼.節能設備在加氫裝置上的應用［J］.中外能源，2012，17(2):93-95.

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［5］侯芙生.煉油工程師手冊［M］.北京，石油工業出版社，1994，506-507.

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［7］鄧茂廣.茂名加氫裂化裝置用能分析及節能途徑［J］.中外能源，2008，13(9):110-115.

［8］章許云.管式加熱爐爐管結焦分析［J］.石油和化工設備，2010，31(5):51-53.

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